Xarion Laser Acoustics, ein Unternehmen mit Sitz in Wien, hat sich über die letzten 10 Jahre auf dem Markt für zerstörungsfreie Prüfung etabliert. Der Ansatz, Ultraschall mit einem Laser zu erzeugen und daraus Bilder zu erzeugen, ermöglicht die Prüfung vollkommen ohne Kontaktmedium, wie Gel oder Wasser. Das ist insofern besonders, als dass herkömmliche Ultraschallprüfung immer ein Koppelgel benötigt, was bei der roboter-gestützten Inline-Qualitätskontrolle natürlich unpraktikabel ist: Die am Fließband vorbeifahrenden technischen Erzeugnisse möchte man natürlich nicht nass machen oder berühren. Aus diesem Grund wird die Weltneuheit des Unternehmens bereits von zahlreichen Kunden in der Autobranche, aber auch in der Luft und Raumfahrt eingesetzt.
Das unsichtbare Ohr der Qualitätskontrolle
Ultraschall, eine Technologie, die oft nur mit medizinischen Bildgebungsverfahren in Verbindung gebracht wird, findet ihre Anwendung auch in einer Vielzahl von fertigenden Industrien. Diese Technik nutzt Schallwellen, die für das menschliche Ohr nicht hörbar sind. Es werden aus dem Echo der Ultraschallwellen Bilder hergestellt, die über die innere Beschaffenheit Auskunft geben und somit Information zur Verfügung gestellt, die dem menschlichen Auge oder einer Kamera nicht zugänglich sind.
In herkömmlichen Ultraschallanwendungen, wie etwa auch in der Medizin, wird ein Kontaktgel oder Wasser verwendet, um die Schallwellen effektiv vom Gerät in den Prüfling und vice versa zu übertragen. Das Kontaktmedium dient dazu, Luft zwischen dem Ultraschallkopf und der Oberfläche zu eliminieren, die sonst die Schallübertragung stören würde. Setzt man ein herkömmliches Ultraschallgerät ein ohne vorher ein Gel aufzutragen, gehen über 99% der Schallwellen an der Oberfläche durch Reflexion verloren, so dass kein Prüfbild erzeugt werden kann. Konventionelle Ultraschallprüfung ist zusätzlich sehr zeit- und arbeitsintensiv, da sie im Regelfall per Hand von einer ausgebildeten Fachkraft durchgeführt werden muss.
Das Unternehmen hebt sich in diesem Bereich durch eine revolutionäre Technologie ab und nutzt einen Anregungslaser, um mittels eines kurzen Laser-Lichtblitzes den Ultraschall direkt im untersuchten Material zu erzeugen. Je nach Beschaffenheit des Materials entstehen dabei unterschiedliche Schallprofile unter der Oberfläche. In diesen Schallprofilen steckt Information über den inneren Aufbau und Zustand des Materials. Man kennt das Phänomen aus der Musik, wo der gleiche Ton je nach Instrument unterschiedlich klingt. Auch die Erfassung der Schallprofile erfolgt mittels Laser, das Unternehmen lauscht mit dem eigens patentierten optischen Mikrofon berührungsfrei den zurückgeworfenen Echos.
Bei konventionellen Ultraschallsystemen müssen für verschiedene Fehler-Arten jeweils ein eigener Prüfkopf verwendet werden, sozusagen ein eigener Ton angeschlagen werden. Xarion hingegen kann durch die Laseranregung ganze sieben Oktaven an Ton-Frequenzen gleichzeitig zum Schwingen bringen. Das bedeutet, dass ein technisches Erzeugnis (also zum Beispiel ein Flugzeugteil, ein Halbleiterchip oder eine Batteriezelle) durch einen einzigen Prüfvorgang rasch erfasst werden kann, es sind nicht mehrere Prüfdurchgänge mit verschiedenen konventionellen Prüfköpfen nötig. All die empfangene Schallprofile können gleichzeitig mithilfe des optischen Mikrofons gleichzeitig abgehört werden, ohne dass der Prüfling berührt werden muss.
„In unserem Slogan Hören mit Licht & Sehen mit Schall haben wir unsere patentierte Prüfmethode am kompaktesten beschrieben“, erklärt Dr. Balthasar Fischer, Gründer und CEO von Xarion Laser Acoustics. „Wir können damit nicht nur berührungslos, in einem gewissen Abstand zum Bauteil, sondern insbesondere auch ohne, dass ein Kontaktmittel wie Gel eingesetzt werden muss, messen. Eben dieses Kontaktmedium verhindert oft, dass konventionelle Ultraschallprüftechniken automatisiert werden können. Unser Prüfprozess ist im Gegenzug leicht automatisierbar und entsprechend auch für die Anwendung auf großen Industrierobotern geeignet. Wir können damit kleinste Risse, Löcher oder Lufteinschlüsse unter der Oberfläche detektieren, während die Prüfmaschine an der Fertigungslinie steht https://xarion.com/de/applikationen “, führt Dr. Fischer weiter aus.
Revolutionäre Anwendungen in der Automobilindustrie
Das schnelle Wachstum im Markt um Elektroautos und erneuerbaren Energiesystemen hat die Nachfrage nach zuverlässigen und effizienten Batterietechnologien immens erhöht. Die Sicherheit und Leistung von Batteriezellen ist von größter Bedeutung und erfordert zerstörungsfreie Prüfverfahren, und das gleich auf mehreren Stufen der Wertschöpfungskette der Batterieherstellung.
Ein praktisches Beispiel ist die Herstellung von Auto-Batteriemodulen, die aus vielen einzelnen Zellen bestehen. Diese Batterie-Zellen werden durch Wärmeleitpaste mit der Außenhülle verbunden. Eine gleichmäßige Verteilung der Paste ist entscheidend, denn mangelhaft bedeckte Bereiche können zu lokaler Überhitzung führen und im schlimmsten Fall sogar Brände verursachen.
Hier setzt die Ultraschalltechnologie des Unternehmens an. Durch das „Abklopfen“ der Außenhülle mit einem Laser und der Analyse der dadurch entstehenden Schallwellen kann festgestellt werden, ob Luftblasen oder Fehlstellen unterhalb der Oberfläche in der Wärmeleitpaste, dem sogenannten Gapfiller, vorhanden sind. Das Messsystem ist dabei einseitig anwendbar, also Anregung und Detektion in einem Prüfkopf vereint, so dass auch fertig produzierte Module vermessen werden können.
Tobias Hötzer, Senior Projektmanager im Unternehmen, fügt noch hinzu: „Ultraschall ist im Allgemeinen die bevorzugte zerstörungsfreie Prüftechnik bei der Batterieprüfung. Er eignet sich für besonders gut für der Beobachtung dünnster Flüssigkeits- und Gasgrenzflächen; selbst durch dickere Schichten hindurch. Solche feinen Grenzflächen sind für andere Methoden wie etwa Computertomografie eine große Herausforderung, die Prüfdauer pro Zelle würde Stunden dauern, vom Strahlenschutz ganz zu schweigen. Die Möglichkeit, die Verteilung der Paste unter der Oberfläche der Batteriemodule berührungslos mit Ultraschall zu prüfen, bietet die Chance, den Prüfprozess im Minuten- oder gar Sekundentakt zu automatisieren, und das ist ein unglaublicher Mehrwert für unsere Kunden. Ohne unsere berührungslose Technologie müssten Automobilunternehmen etwa ganze Module regelmäßig aus der Produktion nehmen und zerstörend prüfen, was natürlich mit immensen Kosten verbunden ist.“
Energie im Wandel
Mit der zunehmenden Abhängigkeit von Batterietechnologien wachsen auch die Herausforderungen, insbesondere in Bezug auf Sicherheit und Preis. Die vollflächige und homogene Benetzung von Batteriezellen mit flüssigem Elektrolyten ist ein entscheidender Faktor für deren Lebensdauer und Zuverlässigkeit. So kann etwa eine ungleichmäßige Verteilung des Elektrolyten im Inneren der Zelle zu Sicherheitsrisiken, langfristig sogar zu Kurzschlüssen führen. Auch wirtschaftlich macht es Sinn, solche Zellen direkt beim Befüllen zu prüfen, da so durch kleine Anpassungen im Fertigungsprozess weiterer Ausschuss reduziert werden kann.
Martin Fürst, Batteriezellenexperte des Unternehmens, erklärt die Bedeutung von Ultraschallprüfungen bei Batteriezellen: „Batteriehersteller stehen oftmals unter großem Druck möglichst günstig einwandfreie Batterien auszuliefern. Wir sind sehr stolz darauf, dass wir mit unserer kontaktlosen Technologie den Kunden entscheidende Innovationsvorsprünge ermöglichen. Die Prüfung kann Inline, also direkt in der Linie, erfolgen.“
So wurde erst kürzlich in Kollaboration mit Manz AG, einem deutschen Automatisierungsunternehmen mit starkem Fokus auf Batteriezellenproduktion, ein innovatives Ultraschall-Monitorsystem für Batteriezellen entwickelt Bei dieser Anlage trifft ein Laser von der einen Seite auf die Zelle und das Mikrofon hört auf der anderen Seite das Ultraschallprofil ab. Je nachdem, welche Materialien die Schallwelle auf dem Weg zum Mikrofon durchdringt, ändert sich das Schallprofil signifikant. Trockene Bereiche der Batteriezelle reflektieren den Schall, während die mit Elektrolytflüssigkeit benetzten Bereiche den Schall leiten. Dadurch können etwa nicht benetzte Stellen leicht identifiziert werden. „Wir haben hier vor allem durch die deutlich höhere Auflösung und Messgeschwindigkeit unserer Technologie gegenüber konventionellen Systemen einen Vorteil“, so Fürst.
Bei diesen Prüfanlagen für Batteriezellen handelt es sich um ein Stand-Alone System, das sowohl für die Vorproduktion oder Entwicklung geeignet ist, die aber auch hervorragend für die Inline-Prüfung eingesetzt werden kann. Die Prüfung von Pouchzellen, prismatischen Zellen und Rundzellen, also allen gängigen Zell-Geometrien ist möglich.
Aerospace Produktion neu gedacht
Auch die Luft- und Raumfahrtindustrie kämpft mit Herausforderungen, wenn es um die Qualität und deren Prüfung in der Produktion geht. Schlimmstenfalls geraten Flugzeughersteller aufgrund negativer Medienberichte über mangelhafte Fertigungsqualität in wirtschaftliche Bedrängnis. Deswegen sind Flugzeugbauer mitsamt ihren Zulieferern stets auf der Suche nach zuverlässigen Methoden, die erforderliche Qualität tatsächliche zu garantieren.
Eben hier setzt die neue Puls-Echo Technologie des Unternehmens an. Es handelt es sich um ein einseitiges Prüfverfahren mit einer sehr hohen Auflösungsgrenze, welches das Flugzeugteil roboter-gestützt abscannen kann, völlig kontaktfrei. Es ermöglicht die Ultraschallprüfung ganzer Flugzeugteile, nahezu unabhängig von ihrer Kontur, Form und Größe. Aufgrund der geringen Größe der Prüfköpfe und der Kontaktlosigkeit können sogar schwer zugängliche Stellen problemlos auf Risse, innere Löcher oder Ablösungen getestet werden.
„Wir bieten Flugzeugherstellern die Möglichkeit, ganze Bauteile effektiv und schnell auf innere Fehlstellen zu überprüfen. Dabei verlieren wir aber nicht die Kosten und die Wettbewerbsfähigkeit unserer Kunden aus den Augen“, erklärt Applikationsingenieur und Experte für Puls-Echo Verfahren Markus Pešek. „Vor allem unsere Flexibilität wird von unseren Kunden sehr geschätzt. Denn wir können mit dem gleichen Sensor nicht nur Metall und Kohlefaserverbindungen, sondern auch offenporige Bauteile und Honigwabenstrukturen ohne Kontaktmedium wie Wasser oder Gel messen.“
Gerade in der Raumfahrtindustrie, zum Beispiel in der Produktion von Raketen- oder Satellitenteilen, ist der Einsatz von Ultraschallgel oder Wasser problematisch, oft sogar verboten. Während herkömmliche Ultraschalltechnologien deswegen wegfallen, bietet das Unternehmen hier die Möglichkeit, Bauteile unterschiedlichster Art auf innere Fehlstellen zu überprüfen.
Turn-Key System für die Industrie von morgen
Das Unternehmen versteht die Bedürfnisse seiner Kunden, vor dem Einbau in die Produktionslinie neue Technologien eingehend zu testen, Um dieser Nachfrage gerecht zu werden, werden neben kundenspezifischen Sonderanlagen auch sogenannte LEAsys Turn-Key-Laborsysteme angeboten. In diesem Rahmen steht eine ganze Palette an standardisierten und modularen Laborscannern zur Verfügung. Diese sind nicht nur in Forschungs- und Entwicklungsabteilungen beliebt, sondern können auch als At-Line-Stationen direkt in der Produktion eingesetzt werden. Man kann dabei flexibel zwischen verschiedenen Größen, Positioniersystemen und für die jeweiligen Anwendungen die optimalen Prüfköpfe wählen.
„Die Möglichkeit, unsere Technologie zuerst mit einem LEAsys Scanner in einer Pilot-Anlage zu erproben, wird unseren Kunden als entscheidender Vorteil angesehen. Denn oft gilt, man muss etwas erst auf Herz und Nieren getestet haben, bevor man bereit ist, Änderungen in bestehenden Produktionslinien durchzuführen.“, erzählt Dr. Josef Pörnbacher, Head of Applications im Unternehmen.
Diese flexiblen Systeme ermöglichen es den Kunden, selbst eigenständig Erfahrungen zu sammeln und spezifisches Know-how zu entwickeln. Das ist ein entscheidender Vorteil für Firmen, die die Qualität ihrer Produkte sicherstellen und gleichzeitig ihre Produktionsprozesse optimieren möchten, ohne sofort in vollständige Systemumstellungen investieren zu müssen.
Kundenorientierte Innovation
Innovative, ultraschallbasierte Inspektionsmethoden, wie sie das Unternehmen anbietet, erfüllen die Bedürfnisse der modernen, automatisierten Industrie. Xarion ermöglicht es Materialfehler frühzeitig und präzise mittels Ultraschalls zu erkennen und kommt völlig ohne den Einsatz von Wasser oder Gel aus, was als Weltneuheit gilt. Diese Systemlösungen eignen sich hervorragend für den Einsatz in der automatisierten Fertigung von Bauteilen und Werkstoffen. Dadurch können Unternehmen auch bei schnellen Produktionszyklen erstmals eine 100 % Überprüfung ihrer Produkte vornehmen, direkt in der Linie. Das steigert nicht nur die Qualität von Fertigungsprozessen, sondern erhört auch das Vertrauen des Endverbrauchers in die Produkte und schafft den Firmen einen Wettbewerbsvorteil. Welcher Betrieb träumt nicht vom Zukauf von Halbleiterchips, Autoteilen oder Batteriezellen, die das Label tragen: 100 % Qualität geprüft. Damit bietet das Unternehmen nicht nur technische Lösungen, sondern unterstützt auch die Nachhaltigkeitsziele und Wettbewerbsfähigkeit der Kunden in der Automobil-, Batteriezellen, sowie der Luft- und Raumfahrtindustrie.
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